Integrating OLAP and Ranking: The Ranking-Cube Methodology

Recent years have witnessed an enormous growth of data in business, industry, and Web applications. Database search often returns a large collection of results, which poses challenges to both efficient query processing and effective digest of the query results. To address this problem, ranked search has been introduced to database systems. We study the problem of On-Line Analytical Processing (OLAP) of ranked queries, where ranked queries are conducted in the arbitrary subset of data defined by multi-dimensional selections. While pre-computation and multi-dimensional aggregation is the standard solution for OLAP, materializing dynamic ranking results is unrealistic because the ranking criteria are not known until the query time. To overcome such difficulty, we develop a new ranking cube method that performs semi on-line materialization and semi online computation in this thesis. Its complete life cycle, including cube construction, incremental maintenance, and query processing, is also discussed. We further extend the ranking cube in three dimensions. First, how to answer queries in high-dimensional data. Second, how to answer queries which involves joins over multiple relations. Third, how to answer general preference queries (besides ranked queries, such as skyline queries). Our performance studies show that ranking-cube is orders of magnitude faster than previous approaches

IDEAS-1997-2021-Final-Programs

This document records the final program for each of the 26 meetings of the International Database and Engineering Application Symposium from 1997 through 2021. These meetings were organized in various locations on three continents. Most of the papers published during these years are in the digital libraries of IEEE(1997-2007) or ACM(2008-2021)

Elastic Dataflow Processing on the Cloud

Τα νεφη εχουν μετατραπει σε μια ελκυστικη πλατφορμα για την πολυπλοκη επεξεργασια δεδομενων μεγαλης κλιμακας, ειδικα εξαιτιας της εννοιας της ελαστικοτητας, η οποια και τα χαρακτηριζει: οι υπολογιστικοι ποροι μπορουν να εκμισθωθουν δυναμικα και να χρησιμοποιουνται για οσο χρονο ειναι απαραιτητο. Αυτο δινει την δυνατοτητα να δημιουργηθει μια εικονικη υποδομη η οποια μπορει να αλλαζει δυναμικα στο χρονο. Οι συγχρονες εφαρμογες απαιτουν την εκτελεση πολυπλοκων ερωτηματων σε Μεγαλα Δεδομενα για την εξορυξη γνωσης και την υποστηριξη επιχειρησιακων αποφασεων. Τα πολυπλοκα αυτα ερωτηματα, εκφραζονται σε γλωσσες υψηλου επιπεδου και τυπικα μεταφραζονται σε ροες επεξεργασιας δεδομενων, η απλα ροες δεδομενων. Ενα λογικο ερωτημα που τιθεται ειναι κατα ποσον η ελαστικοτητα επηρεαζει την εκτελεση των ροων δεδομενων και με πιο τροπο. Ειναι λογικο οτι η εκτελεση να ειναι πιθανον γρηγοροτερη αν χρησιμοποιηθουν περισ- σοτεροι υπολογιστικοι ποροι, αλλα το κοστος θα ειναι υψηλοτερο. Αυτο δημιουργει την εννοια της οικο-ελαστικοτητας, ενος επιπλεον τυπου ελαστικοτητας ο οποιος προερχεται απο την οικονο- μικη θεωρια, και συλλαμβανει τις εναλλακτικες μεταξυ του χρονου εκτελεσης και του χρηματικου κοστους οπως προκυπτει απο την χρηση των πορων. Στα πλαισια αυτης της διδακτορικης διατριβης, προσεγγιζουμε την ελαστικοτητα με ενα ενοποιημενο μοντελο που περιλαμβανει και τις δυο ειδων ελαστικοτητες που υπαρχουν στα υπολογιστικα νεφη. Αυτη η ενοποιημενη προσεγγιση της ελαστικοτητας ειναι πολυ σημαντικη στην σχεδιαση συστηματων που ρυθμιζονται αυτοματα (auto-tuned) σε περιβαλλοντα νεφους. Αρχικα δειχνουμε οτι η οικο-ελαστικοτητα υπαρχει σε αρκετους τυπους υπολογισμου που εμφανιζονται συχνα στην πραξη και οτι μπορει να βρεθει χρησιμοποιωντας εναν απλο, αλλα ταυτοχρονα αποδοτικο και ε- πεκτασιμο αλγοριθμο. Επειτα, παρουσιαζουμε δυο εφαρμογες που χρησιμοποιουν αλγοριθμους οι οποιοι χρησιμοποιουν το ενοποιημενο μοντελο ελαστικοτητας που προτεινουμε για να μπορουν να προσαρμοζουν δυναμικα το συστημα στα ερωτηματα της εισοδου: 1) την ελαστικη επεξεργασια αναλυτικων ερωτηματων τα οποια εχουν πλανα εκτελεσης με μορφη δεντρων με σκοπο την μεγι- στοποιηση του κερδους και 2) την αυτοματη διαχειριση χρησιμων ευρετηριων λαμβανοντας υποψη το χρηματικο κοστος των υπολογιστικων και των αποθηκευτικων πορων. Τελος, παρουσιαζουμε το EXAREME, ενα συστημα για την ελαστικη επεξεργασια μεγαλου ογκου δεδομενων στο νεφος το οποιο εχει χρησιμοποιηθει και επεκταθει σε αυτην την δουλεια. Το συστημα προσφερει δηλωτικες γλωσσες που βασιζονται στην SQL επεκταμενη με συναρτησεις οι οποιες μπορει να οριστουν απο χρηστες (User-Defined Functions, UDFs). Επιπλεον, το συντακτικο της γλωσσας εχει επεκταθει με στοιχεια παραλληλισμου. Το EXAREME εχει σχεδιαστει για να εκμεταλλευεται τις ελαστικοτη- τες που προσφερουν τα νεφη, δεσμευοντας και αποδεσμευοντας υπολογιστικους πορους δυναμικα με σκοπο την προσαρμογη στα ερωτηματα.Clouds have become an attractive platform for the large-scale processing of modern applications on Big Data, especially due to the concept of elasticity, which characterizes them: resources can be leased on demand and used for as much time as needed, offering the ability to create virtual infrastructures that change dynamically over time. Such applications often require processing of complex queries that are expressed in a high-level language and are typically transformed into data processing flows (dataflows). A logical question that arises is whether elasticity affects dataflow execution and in which way. It seems reasonable that the execution is faster when more resources are used, however the monetary cost is higher. This gives rise to the concept eco-elasticity, an additional kind of elasticity that comes from economics, and captures the trade-offs between the response time of the system and the amount of money we pay for it as influenced by the use of different amounts of resources. In this thesis, we approach the elasticity of clouds in a unified way that combines both the traditional notion and eco-elasticity. This unified elasticity concept is essential for the development of auto-tuned systems in cloud environments. First, we demonstrate that eco-elasticity exists in several common tasks that appear in practice and that can be discovered using a simple, yet highly scalable and efficient algorithm. Next, we present two cases of auto-tuned algorithms that use the unified model of elasticity in order to adapt to the query workload: 1) processing analytical queries in the form of tree execution plans in order to maximize profit and 2) automated index management taking into account compute and storage re- sources. Finally, we describe EXAREME, a system for elastic data processing on the cloud that has been used and extended in this work. The system offers declarative languages that are based on SQL with user-defined functions (UDFs) extended with parallelism primi- tives. EXAREME exploits both elasticities of clouds by dynamically allocating and deallocating compute resources in order to adapt to the query workload

Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren

Efficient processing of large-scale spatio-temporal data

Millionen Geräte, wie z.B. Mobiltelefone, Autos und Umweltsensoren senden ihre Positionen zusammen mit einem Zeitstempel und weiteren Nutzdaten an einen Server zu verschiedenen Analysezwecken. Die Positionsinformationen und übertragenen Ereignisinformationen werden als Punkte oder Polygone dargestellt. Eine weitere Art räumlicher Daten sind Rasterdaten, die zum Beispiel von Kameras und Sensoren produziert werden. Diese großen räumlich-zeitlichen Datenmengen können nur auf skalierbaren Plattformen wie Hadoop und Apache Spark verarbeitet werden, die jedoch z.B. die Nachbarschaftsinformation nicht ausnutzen können - was die Ausführung bestimmter Anfragen praktisch unmöglich macht. Die wiederholten Ausführungen der Analyseprogramme während ihrer Entwicklung und durch verschiedene Nutzer resultieren in langen Ausführungszeiten und hohen Kosten für gemietete Ressourcen, die durch die Wiederverwendung von Zwischenergebnissen reduziert werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den beiden oben beschriebenen Herausforderungen. Wir präsentieren zunächst das STARK Framework für die Verarbeitung räumlich-zeitlicher Vektor- und Rasterdaten in Apache Spark. Wir identifizieren verschiedene Algorithmen für Operatoren und analysieren, wie diese von den Eigenschaften der zugrundeliegenden Plattform profitieren können. Weiterhin wird untersucht, wie Indexe in der verteilten und parallelen Umgebung realisiert werden können. Außerdem vergleichen wir Partitionierungsmethoden, die unterschiedlich gut mit ungleichmäßiger Datenverteilung und der Größe der Datenmenge umgehen können und präsentieren einen Ansatz um die auf Operatorebene zu verarbeitende Datenmenge frühzeitig zu reduzieren. Um die Ausführungszeit von Programmen zu verkürzen, stellen wir einen Ansatz zur transparenten Materialisierung von Zwischenergebnissen vor. Dieser Ansatz benutzt ein Entscheidungsmodell, welches auf den tatsächlichen Operatorkosten basiert. In der Evaluierung vergleichen wir die verschiedenen Implementierungs- sowie Konfigurationsmöglichkeiten in STARK und identifizieren Szenarien wann Partitionierung und Indexierung eingesetzt werden sollten. Außerdem vergleichen wir STARK mit verwandten Systemen. Im zweiten Teil der Evaluierung zeigen wir, dass die transparente Wiederverwendung der materialisierten Zwischenergebnisse die Ausführungszeit der Programme signifikant verringern kann.Millions of location-aware devices, such as mobile phones, cars, and environmental sensors constantly report their positions often in combination with a timestamp to a server for different kinds of analyses. While the location information of the devices and reported events is represented as points and polygons, raster data is another type of spatial data, which is for example produced by cameras and sensors. This Big spatio-temporal Data needs to be processed on scalable platforms, such as Hadoop and Apache Spark, which, however, are unaware of, e.g., spatial neighborhood, what makes them practically impossible to use for this kind of data. The repeated executions of the programs during development and by different users result in long execution times and potentially high costs in rented clusters, which can be reduced by reusing commonly computed intermediate results. Within this thesis, we tackle the two challenges described above. First, we present the STARK framework for processing spatio-temporal vector and raster data on the Apache Spark stack. For operators, we identify several possible algorithms and study how they can benefit from the underlying platform's properties. We further investigate how indexes can be realized in the distributed and parallel architecture of Big Data processing engines and compare methods for data partitioning, which perform differently well with respect to data skew and data set size. Furthermore, an approach to reduce the amount of data to process at operator level is presented. In order to reduce the execution times, we introduce an approach to transparently recycle intermediate results of dataflow programs, based on operator costs. To compute the costs, we instrument the programs with profiling code to gather the execution time and result size of the operators. In the evaluation, we first compare the various implementation and configuration possibilities in STARK and identify scenarios when and how partitioning and indexing should be applied. We further compare STARK to related systems and show that we can achieve significantly better execution times, not only when exploiting existing partitioning information. In the second part of the evaluation, we show that with the transparent cost-based materialization and recycling of intermediate results, the execution times of programs can be reduced significantly

Query processing in complex modern traffic networks

The transport sector generates about one quarter of all greenhouse gas emissions worldwide. In the European Union (EU), passenger cars and light-duty trucks make up for over half of these traffic-related emissions. It is evident that everyday traffic is a serious environmental threat. At the same time, transport is a key factor for the ambitious EU climate goals; among them, for instance, the reduction of greenhouse gas emissions by 85 to 90 percent in the next 35 years. This thesis investigates complex traffic networks and their requirements from a computer science perspective. Modeling of and query processing in modern traffic networks are pivotal topics. Challenging theoretical problems are examined from different perspectives, novel algorithmic solutions are provided. Practical problems are investigated and solved, for instance, employing qualitative crowdsourced information and sensor data of various sources. Modern traffic networks are often modeled as graphs, i.e., defined by sets of nodes and edges. In conventional graphs, the edges are assigned numerical weights, for instance, reflecting cost criteria like distance or travel time. In multicriteria networks, the edges reflect multiple, possibly dynamically changing cost criteria. While these networks allow for diverse queries and meaningful insight, query processing usually is significantly more complex. Novel means for computation are required to keep query processing efficient. The crucial task of computing optimal paths is particularly expensive under multiple criteria. The most established set of optimal paths in multicriteria networks is referred to as path skyline (or set of pareto-optimal paths). Until now, computing the path skyline either required extensive precomputation or networks of minor size or complexity. Neither of these demands can be made on modern traffic networks. This thesis presents a novel method which makes on-the-fly computation of path skylines possible, even in dynamic networks with three or more cost criteria. Another problem examined is the exponentially growth of path skylines. The number of elements in a path skyline is potentially exponential in the number of cost criteria and the number of edges between start and target. This often produces less meaningful results, sometimes hindering usability. These drawbacks emphasize the importance of the linear path skyline which is investigated in this thesis. The linear path skyline is based on a different notion of optimality. By the notion of optimality, the linear path skyline is a subset of the conventional path skyline but in general contains less and more diverse elements. Thus, the linear path skyline facilitates interpretation while in general reducing computational effort. This topic is first studied in networks with two cost criteria and subsequently extended to more cost criteria. These cost criteria are not limited to purely quantitative measures like distance and travel time. This thesis examines the integration of qualitative information into abstractly modeled road networks. It is proposed to mine crowdsourced data for qualitative information and use this information to enrich road network graphs. These enriched networks may in turn be used to produce routing suggestions which reflect an opinion of the crowd. From data processing to knowledge extracting, network enrichment and route computation, the possibilities and challenges of crowdsourced data as a source for information are surveyed. Additionally, this thesis substantiates the practicability of network enrichment in real-world experiments. The description of a demonstration framework which applies some of the presented methods to the use case of tourist route recommendation serves as an example. The methods may also be applied to a novel graph-based routing problem proposed in this thesis. The problem extends the family of Orienteering Problems which find frequent application in tourist routing and other tasks. An approximate solution to this NP-hard problem is presented and evaluated on a large scale, real-world, time-dependent road network. Another central aspect of modern traffic networks is the integration of sensor data, often referred to as telematics. Nowadays, manifold sensors provide a plethora of data. Using this data to optimize traffic is and will continue to be a challenging task for research and industry. Some of the applications which qualify for the integration of modern telematics are surveyed in this thesis. For instance, the abstract problem of consumable and reoccurring resources in road networks is studied. An application of this problem is the search for a vacant parking space. Taking statistical and real-time sensor information into account, a stochastic routing algorithm which maximizes the probability of finding a vacant space is proposed. Furthermore, the thesis presents means for the extraction of driving preferences, helping to better understand user behavior in traffic. The theoretical concepts partially find application in a demonstration framework described in this thesis. This framework provides features which were developed for a real-world pilot project on the topics of electric and shared mobility. Actual sensor car data collected in the project, gives insight to the challenges of managing a fleet of electric vehicles.Verkehrsmittel erzeugen rund ein Viertel aller Treibhausgas-Emissionen weltweit. Für über die Hälfte der verkehrsbedingten Emissionen in der Europäischen Union (EU) zeichnen PKW und Kleinlaster verantwortlich. Die Tragweite ökologischer Konsequenzen durch alltäglichen Verkehr ist enorm. Zugleich ist ein Umdenken im Bezug auf Verkehr entscheidend, um die ehrgeizigen klimapolitischen Ziele der EU zu erfüllen. Dazu gehört unter anderem, Treibhausgas-Emissionen bis 2050 um 85 bis 90 Prozent zu verringern. Die vorliegende Arbeit widmet sich den komplexen Anforderungen an Verkehr und Verkehrsnetzwerke aus der Sicht der Informatik. Dabei spielen sowohl die Modellierung von als auch die Anfragebearbeitung in modernen Verkehrsnetzwerken eine entscheidende Rolle. Theoretische Fragestellungen werden aus unterschiedlichen Persepektiven beleuchtet, neue Algorithmen werden vorgestellt. Ebenso werden praktische Fragestellungen untersucht und gelöst, etwa durch die Einbindung nutzergenerierten Inhalts oder die Verwendung von Sensordaten aus unterschiedlichen Quellen. Moderne Verkehrsnetzwerke werden häufig als Graphen modelliert, d.h., durch Knoten und Kanten dargestellt. Man unterscheidet zwischen konventionellen Graphen und sogenannten Multiattributs-Graphen. Während die Kanten konventioneller Graphen numerische Gewichte tragen, die statische Kostenkriterien wie Distanz oder Reisezeit modellieren, beschreiben die Kantengewichte in Multiattributs-Graphen mehrere, möglicherweise dynamisch veränderliche Kostenkriterien. Das erlaubt einerseits vielseitige Anfragen und aussagekräftige Erkenntnisse, macht die Anfragebearbeitung jedoch ungleich komplexer und verlangt deshalb nach neuen Berechnungsmethoden. Eine besonders aufwendige Anfrage ist die Berechnung optimaler Pfade, zugleich eine der zentralsten Fragestellungen. Die gängigste Menge optimaler Pfade wird als Pfad-Skyline (auch: Menge der pareto-optimalen Pfade) bezeichnet. Die effiziente Berechnung der Pfad-Skyline setzte bisher überschaubare Netzwerke oder beträchtliche Vorberechnungen voraus. Keine der beiden Bedingung kann in modernen Verkehrsnetzwerken erfüllt werden. Diese Arbeit stellt deshalb eine Methode vor, die die Berechnung der Pfad-Skyline erheblich beschleunigt, selbst in dynamischen Netzwerken mit drei oder mehr Kostenkriterien. Außerdem wird das Problem des exponentiellen Wachstums der Pfad-Skyline betrachtet. Die Anzahl der Elemente der Pfad-Skyline wächst im schlechtesten Fall exponentiell in der Anzahl der Kostenkriterien sowie in der Entfernung zwischen Start und Ziel. Dies kann zu unübersichtlichen und wenig aussagekräftigen Resultatmengen führen. Diese Nachteile unterstreichen die Bedeutung der linearen Pfad-Skyline, die auch im Rahmen diese Arbeit untersucht wird. Die lineare Pfad-Skyline folgt einer anderen Definition von Optimalität. Stets ist die lineare Pfad-Skyline eine Teilmenge der konventionellen Pfad-Skyline, meist enthält sie deutlich weniger, unterschiedlichere Resultate. Dadurch lässt sich die lineare Pfad-Skyline im Allgemeinen schneller berechnen und erleichtert die Interpretation der Resultate. Die Berechnung der linearen Pfad-Skyline wird erst für Netzwerke mit zwei Kostenkriterien, anschließend für Netzwerke mit beliebig vielen Kostenkriterien untersucht. Kostenkriterien sind nicht notwendigerweise auf rein quantitative Maße wie Distanz oder Reisezeit beschränkt. Diese Arbeit widmet sich auch der Integration qualitativer Informationen, mit dem Ziel, intuitivere und greifbarere Routingergebnisse zu erzeugen. Dazu wird die Möglichkeit untersucht, abstrakte Straßennetzwerke mit qualitativen Informationen anzureichern, wobei die Informationen aus nutzergenerierten Daten geschöpft werden. Solche sogenannten Enriched Networks ermöglichen die Berechnung von Pfaden, die in gewisser Weise das Wissen der Nutzer reflektieren. Von der Datenverarbeitung, über die Extraktion von Wissen, bis hin zum Network-Enrichment und der Pfadberechnung, gibt diese Arbeit einen überblick zum Thema. Weiterhin wird die Praktikabilität dieses Vorgehens mit Experimenten auf Realdaten untermauert. Die Beschreibung eines Demonstrationstools für den Anwendungsfall der Navigation von Touristen dient als anschauliches Beispiel. Die vorgestellten Methoden sind darüber hinaus auch anwendbar auf ein neues, graphentheoretisches Routingproblem, das in dieser Arbeit vorgestellt wird. Es handelt sich dabei um eine zeitabängige Erweiterung der Familie der Orienteering Probleme, die häufig Anwendung finden, etwa auch im der Bereich der Touristennavigation. Das vorgestellte Problem ist NP-schwer lässt sich jedoch dank eines hier vorgestellten Algorithmus effizient approximieren. Die Evaluation untermauert die Effizienz des vorgestellten Lösungsansatzes und ist zugleich die erste Auswertung eines zeitabhängigen Orienteering Problems auf einem großformatigen Netzwerk. Ein weiterer zentraler Aspekt moderner Verkehrsnetzwerke ist die Integration von Sensordaten, oft unter dem Begriff Telematik zusammengefasst. Heutzutage generiert eine Vielzahl von Sensoren Unmengen an Daten. Diese Daten zur Verkehrsoptimierung einzusetzen ist und bleibt eine wichtige Aufgabe für Wissenschaft und Industrie. Einige der Anwendungen, die sich für den Einsatz von Telematik anbieten, werden in dieser Arbeit untersucht. So wird etwa das abstrakte Problem konsumierbarer und wiederkehrender Ressourcen im Straßennetzwerk untersucht. Ein alltägliches Beispiel für dieses Problem ist die Parkplatzsuche. Der vorgeschlagene Algorithmus, der die Wahrscheinlichkeit maximiert, einen freien Parkplatz zu finden, baut auf die Verwendung statistischer sowie aktueller Sensordaten. Weiterhin werden Methoden zur Ableitung von Fahrerpräferenzen entwickelt. Die theoretischen Fundamente finden zum Teil in einem hier beschriebenen Demonstrationstool Anwendung. Das Tool veranschaulicht Features, die für ein Pilotprojekt zu den Themen Elektromobilität und Fahrzeugflotten entwickelt wurden. Im Rahmen eines Pilotversuchs wurden Sensordaten von Elektrofahrzeugen erhoben, die Einblick in die Herausforderungen beim Management von Elektrofahrzeugflotten geben

Complex queries and complex data

With the widespread availability of wearable computers, equipped with sensors such as GPS or cameras, and with the ubiquitous presence of micro-blogging platforms, social media sites and digital marketplaces, data can be collected and shared on a massive scale. A necessary building block for taking advantage from this vast amount of information are efficient and effective similarity search algorithms that are able to find objects in a database which are similar to a query object. Due to the general applicability of similarity search over different data types and applications, the formalization of this concept and the development of strategies for evaluating similarity queries has evolved to an important field of research in the database community, spatio-temporal database community, and others, such as information retrieval and computer vision. This thesis concentrates on a special instance of similarity queries, namely k-Nearest Neighbor (kNN) Queries and their close relative, Reverse k-Nearest Neighbor (RkNN) Queries. As a first contribution we provide an in-depth analysis of the RkNN join. While the problem of reverse nearest neighbor queries has received a vast amount of research interest, the problem of performing such queries in a bulk has not seen an in-depth analysis so far. We first formalize the RkNN join, identifying its monochromatic and bichromatic versions and their self-join variants. After pinpointing the monochromatic RkNN join as an important and interesting instance, we develop solutions for this class, including a self-pruning and a mutual pruning algorithm. We then evaluate these algorithms extensively on a variety of synthetic and real datasets. From this starting point of similarity queries on certain data we shift our focus to uncertain data, addressing nearest neighbor queries in uncertain spatio-temporal databases. Starting from the traditional definition of nearest neighbor queries and a data model for uncertain spatio-temporal data, we develop efficient query mechanisms that consider temporal dependencies during query evaluation. We define intuitive query semantics, aiming not only at returning the objects closest to the query but also their probability of being a nearest neighbor. After theoretically evaluating these query predicates we develop efficient querying algorithms for the proposed query predicates. Given the findings of this research on nearest neighbor queries, we extend these results to reverse nearest neighbor queries. Finally we address the problem of querying large datasets containing set-based objects, namely image databases, where images are represented by (multi-)sets of vectors and additional metadata describing the position of features in the image. We aim at reducing the number of kNN queries performed during query processing and evaluate a modified pipeline that aims at optimizing the query accuracy at a small number of kNN queries. Additionally, as feature representations in object recognition are moving more and more from the real-valued domain to the binary domain, we evaluate efficient indexing techniques for binary feature vectors.Nicht nur durch die Verbreitung von tragbaren Computern, die mit einer Vielzahl von Sensoren wie GPS oder Kameras ausgestattet sind, sondern auch durch die breite Nutzung von Microblogging-Plattformen, Social-Media Websites und digitale Marktplätze wie Amazon und Ebay wird durch die User eine gigantische Menge an Daten veröffentlicht. Um aus diesen Daten einen Mehrwert erzeugen zu können bedarf es effizienter und effektiver Algorithmen zur Ähnlichkeitssuche, die zu einem gegebenen Anfrageobjekt ähnliche Objekte in einer Datenbank identifiziert. Durch die Allgemeinheit dieses Konzeptes der Ähnlichkeit über unterschiedliche Datentypen und Anwendungen hinweg hat sich die Ähnlichkeitssuche zu einem wichtigen Forschungsfeld, nicht nur im Datenbankumfeld oder im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken, sondern auch in anderen Forschungsgebieten wie dem Information Retrieval oder dem Maschinellen Sehen entwickelt. In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit einem speziellen Anfrageprädikat im Bereich der Ähnlichkeitsanfragen, mit k-nächste Nachbarn (kNN) Anfragen und ihrem Verwandten, den Revers k-nächsten Nachbarn (RkNN) Anfragen. In einem ersten Beitrag analysieren wir den RkNN Join. Obwohl das Problem von reverse nächsten Nachbar Anfragen in den letzten Jahren eine breite Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft erfahren hat, wurde das Problem eine Menge von RkNN Anfragen gleichzeitig auszuführen nicht ausreichend analysiert. Aus diesem Grund formalisieren wir das Problem des RkNN Joins mit seinen monochromatischen und bichromatischen Varianten. Wir identifizieren den monochromatischen RkNN Join als einen wichtigen und interessanten Fall und entwickeln entsprechende Anfragealgorithmen. In einer detaillierten Evaluation vergleichen wir die ausgearbeiteten Verfahren auf einer Vielzahl von synthetischen und realen Datensätzen. Nach diesem Kapitel über Ähnlichkeitssuche auf sicheren Daten konzentrieren wir uns auf unsichere Daten, speziell im Bereich raum-zeitlicher Datenbanken. Ausgehend von der traditionellen Definition von Nachbarschaftsanfragen und einem Datenmodell für unsichere raum-zeitliche Daten entwickeln wir effiziente Anfrageverfahren, die zeitliche Abhängigkeiten bei der Anfragebearbeitung beachten. Zu diesem Zweck definieren wir Anfrageprädikate die nicht nur die Objekte zurückzugeben, die dem Anfrageobjekt am nächsten sind, sondern auch die Wahrscheinlichkeit mit der sie ein nächster Nachbar sind. Wir evaluieren die definierten Anfrageprädikate theoretisch und entwickeln effiziente Anfragestrategien, die eine Anfragebearbeitung zu vertretbaren Laufzeiten gewährleisten. Ausgehend von den Ergebnissen für Nachbarschaftsanfragen erweitern wir unsere Ergebnisse auf Reverse Nachbarschaftsanfragen. Zuletzt behandeln wir das Problem der Anfragebearbeitung bei Mengen-basierten Objekten, die zum Beispiel in Bilddatenbanken Verwendung finden: Oft werden Bilder durch eine Menge von Merkmalsvektoren und zusätzliche Metadaten (zum Beispiel die Position der Merkmale im Bild) dargestellt. Wir evaluieren eine modifizierte Pipeline, die darauf abzielt, die Anfragegenauigkeit bei einer kleinen Anzahl an kNN-Anfragen zu maximieren. Da reellwertige Merkmalsvektoren im Bereich der Objekterkennung immer öfter durch Bitvektoren ersetzt werden, die sich durch einen geringeren Speicherplatzbedarf und höhere Laufzeiteffizienz auszeichnen, evaluieren wir außerdem Indexierungsverfahren für Binärvektoren